Стандартная модель физики частиц может быть нарушена

Новые, точные измерения уже открытых частиц всколыхнули физику, утверждает ученый, работающий на Большом адронном коллайдере.

Отредактировано 2023-25-06
Фотография туннеля БАКВнутри туннеля Большого адронного коллайдера, 2019 год.

Как физик, работающий на Большом адронном коллайдере (БАК) в Керне, один из наиболее часто задаваемых мне вопросов - "Когда вы собираетесь что-то найти?". Сдерживая искушение язвительно ответить: "Помимо бозона Хиггса, получившего Нобелевскую премию, и целого ряда новых составных частиц?", я понимаю, что причина столь частой постановки вопроса кроется в том, как мы представляем прогресс в физике частиц широкому миру.

Мы часто говорим о прогрессе в терминах открытия новых частиц, и часто так оно и есть. Изучение новой, очень тяжелой частицы помогает нам увидеть глубинные физические процессы - часто без раздражающего фонового шума. Это позволяет легко объяснить ценность открытия общественности и политикам.

Однако в последнее время серия точных измерений уже известных, стандартных частиц и процессов угрожает потрясти физику. А поскольку БАК готовится к работе с более высокой энергией и интенсивностью, чем когда-либо прежде, пришло время начать широко обсуждать последствия.

На самом деле физика частиц всегда развивалась двумя путями, одним из которых является открытие новых частиц. Другой - это проведение очень точных измерений, которые проверяют предсказания теорий и ищут отклонения от ожидаемого.

Например, первые доказательства общей теории относительности Эйнштейна были получены в результате обнаружения небольших отклонений в видимом положении звезд и в движении Меркурия по своей орбите.

Три основных вывода

Частицы подчиняются неинтуитивной, но чрезвычайно успешной теории, называемой квантовой механикой. Эта теория показывает, что частицы, слишком массивные для прямого столкновения в лаборатории, все же могут влиять на то, что делают другие частицы (посредством так называемых "квантовых флуктуаций"). Измерения таких эффектов очень сложны, однако, их гораздо труднее объяснить широкой публике.

Но недавние результаты, намекающие на необъяснимую новую физику за пределами стандартной модели, относятся ко второму типу. Детальные исследования эксперимента LHCb показали, что частица, известная как кварк красоты (из кварков состоят протоны и нейтроны в атомном ядре), "распадается" (распадается) на электрон гораздо чаще, чем на мюон - более тяжелый, но в остальном идентичный брат электрона. Согласно стандартной модели, этого не должно происходить, что намекает на то, что на этот процесс могут влиять новые частицы или даже силы природы.

Однако, как ни странно, измерения аналогичных процессов с участием "топ-кварков", проведенные экспериментом ATLAS на БАК, показывают, что этот распад происходит с одинаковой скоростью для электронов и мюонов.

Между тем, эксперимент Muon g-2 в Фермилабе в США недавно провел очень точные исследования того, как мюоны "колеблются" при взаимодействии их "спина" (квантового свойства) с окружающими магнитными полями. Он обнаружил небольшое, но значительное отклонение от некоторых теоретических предсказаний, что опять же наводит на мысль о том, что здесь могут действовать неизвестные силы или частицы.

Последний удивительный результат - измерение массы фундаментальной частицы, называемой W-бозоном, которая переносит слабую ядерную силу, управляющую радиоактивным распадом. После многих лет сбора и анализа данных эксперимент, также проведенный в Фермилабе, показал, что он значительно тяжелее, чем предсказывает теория - отклонение на величину, которая не могла случайно произойти в более чем миллионе миллионов экспериментов. Опять же, может оказаться, что еще не открытые частицы увеличивают его массу.

Интересно, однако, что это также не согласуется с некоторыми менее точными измерениями на БАК (представленными в этом исследовании и в этом).

Вердикт

Хотя мы не уверены в том, что эти эффекты требуют нового объяснения, доказательств того, что необходима новая физика, становится все больше.

Конечно, для объяснения этих наблюдений будет предложено почти столько же новых механизмов, сколько теоретиков. Многие обратятся к различным формам "суперсимметрии". Это идея о том, что в стандартной модели существует в два раза больше фундаментальных частиц, чем мы думали, причем у каждой частицы есть "суперпартнер". Это могут быть дополнительные бозоны Хиггса (связанные с полем, которое придает фундаментальным частицам массу).

Другие пойдут дальше, выдвигая менее модные в последнее время идеи, такие как "техноцвет", что подразумевает существование дополнительных сил природы (помимо гравитации, электромагнетизма, слабых и сильных ядерных сил), и может означать, что бозон Хиггса на самом деле является составным объектом, состоящим из других частиц. Только эксперименты покажут истину в этом вопросе, что является хорошей новостью для экспериментаторов.

Экспериментальные группы, стоящие за новыми результатами, пользуются заслуженным уважением и работают над этими проблемами в течение длительного времени. Тем не менее, не будет неуважением к ним отметить, что эти измерения чрезвычайно трудно выполнить. Более того, предсказания стандартной модели обычно требуют расчетов, в которых необходимо делать приближения. Это означает, что разные теоретики могут предсказывать немного разные массы и скорости распада в зависимости от сделанных предположений и уровня приближения. Так что, возможно, когда мы проведем более точные расчеты, некоторые из новых находок будут соответствовать стандартной модели.

Кроме того, может оказаться, что исследователи используют совершенно разные интерпретации и поэтому получают противоречивые результаты. Сравнение двух экспериментальных результатов требует тщательной проверки того, что в обоих случаях использовался один и тот же уровень приближения.

Это оба примера источников "систематической неопределенности", и хотя все заинтересованные стороны делают все возможное для их количественной оценки, могут возникнуть непредвиденные осложнения, которые занижают или завышают их.

Все это не делает нынешние результаты менее интересными или важными. Результаты иллюстрируют, что существует множество путей к более глубокому пониманию новой физики, и все они должны быть изучены.

После перезапуска БАК остаются перспективы того, что новые частицы будут получены в результате более редких процессов или будут скрыты под фоном, который нам еще предстоит обнаружить.